Достижения в тонкопленочных солнечных технологиях для распределенных энергетических систем

Введение: Распределенная энергетическая революция и тонкопленочная солнечная энергия

Распределенные энергетические системы - мелкомасштабная генерация, расположенная близко к точке использования - меняют глобальный энергетический ландшафт. Солнечная фотоэлектрика стала основой этого сдвига, но жесткие, тяжелые модули, которые доминируют на крышах и в коммунальных областях, не идеальны для каждой среды. Введите тонкопленочные солнечные технологии: легкие, гибкие и все более эффективные панели, которые открывают возможности, где традиционный кремний не может идти. От изогнутых фасадов зданий до отдаленных автономных сообществ тонкопленочные элементы позволяют развертывать солнечную энергию в условиях, которые когда-то считались непрактичными. В этой статье рассматриваются последние достижения в тонкопленочных солнечных технологиях, их расширяющаяся роль в распределенных энергетических системах и что принесет следующее поколение материалов и процессов.

Что такое тонко-фильмовые солнечные технологии?

Тонкие пленочные солнечные элементы изготавливаются путем нанесения одного или нескольких слоев фотоэлектрического материала - обычно толщиной всего несколько микрометров - на подложку, такую как стекло, нержавеющая сталь или гибкий пластик. В отличие от обычных кристаллических кремниевых (c-Si) модулей, которые требуют толстых пластин, нарезанных из слитков, тонкопленочные процессы используют гораздо меньше полупроводникового материала и могут применяться через осаждение паром, распыление или гальваническое покрытие. Это фундаментальное различие дает тонкопленочные панели различные физические свойства: они легче, могут быть сделаны гибкими или даже полупрозрачными и легче интегрироваться в строительные материалы. Три основных семейства коммерческих тонкопленочных технологий:

Кроме того, перовскитные солнечные элементы — новый класс тонкопленочных технологий — показали взрывной прогресс в исследованиях, с сертифицированной эффективностью, которая в настоящее время превышает 26%. Несмотря на то, что они все еще сталкиваются с проблемами стабильности и масштабируемости, перовскиты готовы стать основным тонкопленочным игроком, особенно в тандемных конфигурациях с кремнием.

Ключевые достижения в области тонко-фильмовых солнечных технологий

1.Прорывы эффективности

В течение многих лет тонкопленочные панели отставали от c-Si в эффективности преобразования, но этот разрыв резко сократился. Модули CdTe от First Solar теперь обычно достигают 19-22% эффективности в полевых условиях, а исследовательские ячейки компании продвинулись за 22,5%. CIGS достигла 23,35% в коммерческом модуле, а улучшения переходов подняли рекорды малых ячеек выше 23,5%. Даже a-Si, долгое время считавшийся неэффективным, видел успехи через многопереходные структуры, которые стекают слои, чтобы захватить больше солнечного спектра.

Ключевым драйвером являются передовые методы управления светом: антибликовые покрытия, текстуры захвата света и задние отражатели, которые обеспечивают фотонам несколько шансов быть поглощенными. Эти оптические улучшения так же важны, как и улучшение качества материала в повышении эффективности тонкопленочной пленки до уровней кремния без стоимости толстых пластин.

2. Повышение долговечности и долговечности

Ранние тонкопленочные модули пострадали от деградации — особенно аморфный кремний, который потерял значительную мощность в первые месяцы воздействия. Современные методы инкапсуляции, технологии уплотнения краев и улучшенные материалы заднего листа решили многие из этих проблем. Модули CdTe теперь имеют 25-летнюю гарантию с гарантиями выхода мощности, аналогичными c-Si. Панели CIGS на гибких подложках, когда-то печально известные попаданием влаги, теперь используют многослойные барьерные пленки и покрытия атомного слоя (ALD), которые обеспечивают надежную защиту.

Кроме того, ускоренные протоколы испытаний на жизнь, такие как комбинированные испытания на влажность-заморозку и термоциклирование, стали отраслевыми стандартами, гарантирующими, что тонкопленочные продукты могут выдерживать суровый климат. Для распределенных систем в прибрежных или засушливых средах эти достижения в области долговечности имеют решающее значение.

3. Снижение производственных затрат и масштабируемость

Преимущество тонкопленочных технологий в их производстве обусловлено низким использованием материалов и высокой пропускной способностью процессов осаждения. Например, для модулей CdTe требуется менее 1% полупроводникового материала, используемого в сопоставимом кремниевом модуле. Последние инновации включают:

Инициатива SunShot Министерства энергетики США и последующие программы обеспечили финансирование, которое помогло снизить затраты на CdTe ниже $0,30 / Вт, что делает тонкопленочные материалы конкурентоспособными с кремнием в масштабе полезности. Для распределенных систем, где затраты на баланс системы высоки, более низкая цена модуля может склонить экономический масштаб.

4. Гибкость и легкий дизайн

Возможно, наиболее преобразующим атрибутом тонкопленочной пленки является ее способность соответствовать непланарным поверхностям. Гибкие модули CIGS могут быть ламинированы на кровельных мембранах, изогнутых строительных шкурах, крышах транспортных средств и даже рюкзаках. Новые материалы подложки, такие как полиимидные пленки и тонкие фольги из нержавеющей стали, позволяют модулям изгибаться до радиусов, герметичных до 30 мм, не растрескивая активные слои.

Вес является еще одним критическим фактором. Типичная кремниевая панель весит около 2,5 кг/м2; тонкопленочные гибкие модули могут весить всего 0,5 кг/м2. Это сокращение открывает установку на структурно слабых крышах (например, старых промышленных зданиях, амбарах и навесах) без усиления. Для распределенных систем в районах, подверженных стихийным бедствиям, легкие панели легче развертывать быстро и могут быть установлены меньшим экипажем.

5. Новые тонко-фильмовые материалы: перовскиты и тандемы

Перовскитные солнечные элементы стали наиболее интенсивно исследуемой фотоэлектрической технологией за последнее десятилетие. Эффективность лаборатории взлетела с 3,8% в 2009 году до более чем 26% в однопереходных ячейках сегодня. Ключевые последние достижения включают:

  • Улучшенная стабильность: Добавки и пассивирующие слои, снижающие миграцию ионов и влагочувствительность.
  • Масштабируемое осаждение: Слот-дие покрытие, струйная печать и паровые методы, которые могут быть интегрированы в линии рулон-прокат.
  • Тандемные ячейки: Укладка верхней ячейки перовскита (которая поглощает фотоны высокой энергии) с кремниевой или нижней ячейкой CIGS (которая захватывает остальные) уже дала эффективность выше 29%. Этот подход может протолкнуть тонкопленку за пределы ~ 27% практического предела только кремния.

Такие компании, как Oxford PV и Hanwha Q Cells, уже являются пилотными тандемными модулями перовскита и кремния. Если их коммерциализировать в масштабе, они могут переопределить границы эффективности затрат для распределенной солнечной энергии.

Применение в распределенных энергетических системах

Уникальные свойства тонкопленочной панели делают ее естественной для распределенной генерации, где ограничения установки и модели нагрузки отличаются от централизованных солнечных ферм.

Rooftop Solar на жилых и коммерческих зданиях

Легкие модули CdTe и CIGS все чаще используются на плоских или низкопробных крышах, где балластные монтажные системы предпочтительнее избегать проникновения. Их меньший вес снижает структурную нагрузку, а однородный темный вид тонкопленочных панелей часто более архитектурно приемлем, чем кристаллические модули с видимыми зазорами ячеек. Некоторые производители предлагают гибкие ламинаты, которые могут быть установлены как кровельная мембрана.

Для коммерческих зданий с высоким спросом на энергию тонкопленочные системы могут покрывать большие площади крыши с меньшим количеством структурных модификаций. Программа Министерства энергетики США «Интегрированная фотоэлектрическая система» (BIPV) способствовала проектам, в которых тонкопленочная плитка ламинируется в кровельную плитку, металлические панели и даже стены на шторе.

Портативные и удаленные энергетические решения

Гибкость и легкий вес тонкопленочной пленки делают ее идеальной для портативных солнечных зарядных устройств, кемпингового оборудования и военной полевой мощности. Достижения в CIGS с креном на рулон позволили разместить компактные складные панели, которые можно хранить в рюкзаке и разворачивать для зарядки батарей для устройств связи или медицинского оборудования. Удаленные телекоммуникационные башни и датчики IoT в несетевых местах также извлекают выгоду из прочных тонкопленочных модулей, которые можно прикреплять к столбам или корпусам.

Интегрированная солнечная электростанция (BIPV)

Солнечные фасады, окна и световые люки становятся коммерчески жизнеспособными благодаря полупрозрачным тонкопленочным ячейкам. Органику и перовскиты, в частности, можно настроить на поглощение только ближней инфракрасной части спектра, оставляя передачу видимого света для дневного освещения. Полупрозрачные модули CdTe уже установлены в затеняющих луврах и стеклянных балюстрадах. Эти установки служат двойному назначению: генерируют электричество при снижении охлаждающих нагрузок.

Вне сети и сельская электрификация

В регионах, где инфраструктура скудна, тонкопленочные солнечные панели, часто интегрированные в солнечные домашние системы, обеспечивают доступное электричество. Их долговечность в условиях высоких температур и низкой освещенности (тонкая пленка обычно работает лучше, чем c-Si в рассеянном свете и тепле) делает их пригодными для тропических сред. Многие проекты, финансируемые Всемирным банком в Африке и Азии, теперь определяют тонкопленочные модули для общинных микросетей из-за их более низкого веса доставки и более простой установки.

Интегрированная солнечная машина

Электрические транспортные средства, транспортные средства для отдыха и беспилотники экспериментируют с тонкопленочной солнечной кожей. Легкие CIGS или перовскитные пленки могут быть встроены в крыши транспортных средств и капоты для батарей с протеканием заряда, расширяя диапазон. Солнечный автомобиль «Lightyear One» и различные системы крыши для автобусов и грузовиков полагаются на гибкие тонкопленочные элементы.

Проблемы и ограничения

Несмотря на быстрый прогресс, технологии тонкопленочных устройств сталкиваются с серьезными препятствиями, прежде чем они смогут полностью вытеснить c-Si в основных распределенных приложениях.

  • Разрыв в эффективности: В то время как лабораторные записи впечатляют, коммерческие тонкопленочные модули обычно отстают от монокристаллического кремния на несколько процентных пунктов. Для установок с ограниченной площадью крыши может быть предпочтительным кремний с более высокой эффективностью.
  • Материальный дефицит и токсичность: Индий (используется в CIGS) и теллур (в CdTe) встречаются редко, создавая ограничения на поставки, если производство масштабируется массово. Кадмий токсичен, требует тщательных протоколов утилизации и потенциальных регуляторных препятствий в некоторых юрисдикциях.
  • Стабильность перовскитов: Даже с недавними улучшениями, перовскитные ячейки деградируют быстрее, чем кремний при стандартной температуре и влажности езды на велосипеде. Инкапсуляция и барьерные технологии улучшаются, но добавляют стоимость. Коммерческие гарантии, сопоставимые с кремнием (25 лет), пока не широко предлагаются для модулей перовскита.
  • Баланс-системная совместимость: Многие распределенные системы разработаны вокруг стандартных размеров кремниевых модулей и профилей напряжения/тока. Модули тонкой пленки часто имеют более низкий выход напряжения и различные требования к монтажу, что может увеличить сложность установки и стоимость.

Текущие исследования в таких учреждениях, как Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL), направлены на решение этих проблем с помощью новых сплавов, процессов переработки и передовых инкапсулирующих веществ.

Будущий прогноз

Траектория для тонкопленочных солнечных систем в распределенных энергетических системах яркая. Ожидается, что глобальная установленная мощность тонкопленочных солнечных систем будет расти со скоростью 12-15% в год до 2030 года, чему способствуют BIPV, портативные приложения и новые перовскитные производства. Несколько разработок будут формировать следующее десятилетие:

По мере того, как распределенные энергетические системы развиваются от простых массивов на крыше до интегрированных энергетических систем, которые включают в себя хранение, зарядку электромобилей и управление спросом, тонкопленочная солнечная энергия обеспечит физическую гибкость и структуру затрат, необходимые для встраивания генерации в построенную среду. Достижения последних пяти лет превратили тонкопленочные материалы из нишевого конкурента в серьезного претендента на следующую волну солнечного развертывания - и исследовательский трубопровод обещает еще более эффективные, долговечные и универсальные продукты.

Для системных интеграторов и владельцев зданий, оценивающих свои варианты, тонкопленочные технологии больше не являются компромиссом; это стратегический выбор для конкретных распределенных приложений. Мониторинг последних разработок в таких источниках, как журнал pv и отраслевые консорциумы, поможет заинтересованным сторонам оставаться в курсе, поскольку технологии тонкопленочных технологий продолжают созревать.